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昆明动物所|昆明动物所揭示产毒动物种内竞争的靶标切换机制

动物生存适应是动物学领域重要研究内容 。 动物的生存适应面临着来自生物因素和非生物因素的挑战 ， 需要与物种和环境进行密切互作 。 在物种互作中 ， 动物尤其需要通过种内和种间的竞争来获取生存资源 。 产毒动物主要依赖其毒液进行物种互作 ， 它们拥有通过亿万年进化而来的毒液系统 ， 主要依赖毒液成分的生物学功能来与进行种内和种间竞争 。
目前的研究主要集中在毒液介导的种间竞争机制 ， 例如科研工作者通过发现河豚毒素TTX、蝎毒KTX和海葵ATX 。 中科院昆明动物研究所赖仞研究员领导的研究团队长期关注产毒动物的博弈策略 ， 在种间竞争机制的解析方面取得了一些重要进展,如揭示了蜈蚣利用毒素进行捕食（PNAS, 2018; PNAS, 2013）和防御(Nat Commun, 2015) ， 蝎子利用毒素进行防御(Sci Adv 2017) ， 蛙类利用受体突变逃避毒素作用(Natl Sci Rev, 2019) 。 但是 ， 人们对产毒动物种内竞争机制的认知还十分不足 。
【昆明动物所|昆明动物所揭示产毒动物种内竞争的靶标切换机制】昆明动物所|昆明动物所揭示产毒动物种内竞争的靶标切换机制
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图1 蜈蚣毒素通过“靶点切换”灵活转换种内和种间竞争
最近 ， 赖仞研究团队在国家自然科学基金重点项目等科研项目的支持下 ， 以蜈蚣作为研究对象 ， 揭示了一种高效应对种间和种内竞争的“靶点切换机制” 。
在该工作中 ， 研究人员观察到蜈蚣种群内存在激烈竞争 ， 同时伴随着同类之间的毒液注入 。 与种间竞争不同 ， 蜈蚣种群内个体之间的毒液注射能迅速导致非致死性的运动系统短暂麻痹（图1A&B） ， 与种内竞争生存资源的生物学意义相吻合 。 进而 ， 研究人员发现蜈蚣的毒液仅专一抑制蜈蚣神经元上的钾离子流 ， 而对其他类型的离子流并无作用（图1C-F） ， 提示在其种内竞争中发挥功能的可能是一种钾离子通道 。 进一步的分子克隆与功能实验表明 ， 这种钾离子通道是蜈蚣介导A型瞬时钾电流的Shal通道 。 另一方面 ， 研究人员证实蜈蚣毒素SsTx是介导Shal抑制的关键毒液成分 。 因此SsTx-Shal的相互作用是介导蜈蚣种内竞争的物质基础和重要机制 ， 其生物学效应是非致死性运动系统短暂麻痹 。
有趣的是 ， SsTx只作用于蜈蚣的Shal通道 ， 而不作用于其他物种的Shal 。 进一步研究表明蜈蚣Shal通道在其孔区353位点上携带了一个谷氨酸突变（E353） ， SsTx正是通过其17位点上的赖氨酸（K17）与蜈蚣Shal的E353形成盐键 ， 从而抑制Shal的功能 。 对于其他物种而言 ， 该位点上的氨基酸均不带电荷 ， 无法与SsTx形成相互作用（图1G） 。 因此 ， Shal通道在蜈蚣中可能发生了特化并成为种内竞争的毒素作用靶点 。 Shal主要分布于蜈蚣的运动神经元和血管环上 ， SsTx抑制Shal后产生运动神经元的超兴奋以及血管环的收缩 ， 进而介导了种内竞争中的短暂麻痹 。
在蜈蚣的种间竞争中 ， 毒液成分通过抑制猎物的KCNQ或激活捕食者的TRPV1实施捕食或逃逸被捕食（PNAS, 2018） 。 而蜈蚣的这些受体需要进行特化 ， 对毒液产生耐受 ， 以保持适度的种内竞争强度 。 因此对产毒动物而言 ， 毒液系统的进化是一把“双刃剑” ， 在提升种间竞争效率的同时也伴随着大量自身受体的特化 ， 避免同种个体的相互残杀 。 本研究以SsTx为例 ， 对蜈蚣自身受体的特化进行了探索 。 研究人员发现 ， SsTx能靶向其他物种的Shaker通道 ， 但不作用于蜈蚣的Shaker 。 这是由于蜈蚣Shaker孔区399位点上携带一个精氨酸突变（R399） ， 与SsTx上的正电荷基团形成相斥作用力 ， 消除了SsTx与蜈蚣Shaker的相互作用（图1H） 。
综上所述 ， 研究人员通过探索同一个蜈蚣毒液成分（SsTx）在种间和种内不同受体上的功能转变 ， 发现了一种高效的“靶点切换机制”（图1I） 。 该机制使蜈蚣能够使用同一套毒液成分进行靶点的灵活切换 ， 有效调控适合的种内竞争和种间竞争强度 ， 极大降低了产毒动物的生物能耗 。
2020年8月7日 ， 相关研究成果以“Target switch of centipede toxins for antagonistic switch”为题在线发表于Science子刊《Science Advances》杂志上 。 中科院昆明动物所杨仕隆研究员（现任东北林业大学教授）、中科院昆明动物所王云飞博士（现任东北林业大学副教授）和云南大学的王璐副研究员为该论文的第一作者 ， 中科院昆明动物所赖仞研究员为该论文的通讯作者 。
论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/32/eabb5734 。


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